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用氣體擺的原理制作平衡姿態(tài)傳感器

2011-01-26 05:49:00史朦朦張海波王艷榮劉柯林
物理實驗 2011年9期
關鍵詞:電橋鋼絲姿態(tài)

史朦朦,張海波,李 路,王艷榮,劉柯林,于 瑤

(三江學院a.電子信息工程學院;b.物理教研室,江蘇 南京210012)

1 實驗原理

在重力場內(nèi),密度大的氣體會下沉,密度小的氣體要上浮,形成對流.在一根柱狀的密閉腔內(nèi),沿軸線方向?qū)ΨQ的位置設置2根平行的熱敏絲r1,r2,在該結(jié)構(gòu)中熱敏絲既做熱絲,又做敏感元件,如圖1所示.通電時,熱敏絲加熱密閉腔內(nèi)的氣體,近熱源端的氣體由于密度減小而上升,而在密閉腔的邊緣處,氣體的密度大,在重力的作用下,氣體向下運動,在密閉腔中垂直向上的方向,形成氣體的自然對流,氣體的運動具有擺的特性.

圖1 柱狀密閉腔放置2根熱敏絲

無論密閉腔是水平放置,還是傾斜放置,密閉腔中自然對流氣流的方向總是垂直向上,如圖2所示.這種現(xiàn)象與一端固定的固體擺錘始終保持垂直向下而不隨姿態(tài)改變的現(xiàn)象類似.

圖2 密閉腔在不同狀態(tài)下自然對流方向總是垂直向上

氣體的密度差是產(chǎn)生氣體擺的重要原因,而氣體密度差又是由于密閉腔內(nèi)的溫度差引起的.給熱敏絲r1和r2通電加熱,將密閉腔放置在室溫中,保持它的邊界條件不變,幾分鐘后,腔內(nèi)就會形成比較穩(wěn)定的溫度梯度.如果將2個與軸心對稱的熱源等效成位于軸心處1個熱源,那么密閉腔內(nèi)的溫度場的分布如圖3所示.r1,r2處在不同的等溫線上,阻值大小會發(fā)生變化.

將2根熱敏絲r1和r2構(gòu)成惠斯通電橋的2個可變臂,取另外2個相等的電阻R組成惠斯通電橋的固定臂,當熱敏絲r1和r2平置時,上升氣流穿過熱絲的速度相同,氣體流動對熱絲阻值的影響相同,r1和r2感受到的溫度相同,故r1=r2,U1=U2,電橋平衡時輸出電壓為0;當密閉腔傾斜,使2根熱敏絲之間有傾角θ時,氣體的流動對熱敏絲的影響不同,r1≠r2,U1≠U2,從電橋輸出的差分信號為Uo.實驗證明在一定的傾角范圍內(nèi),Uo大小與θ呈線性關系,即Uo=Kθ,式中K是比例系數(shù).平衡姿態(tài)傳感器電路原理圖見圖4.

圖3 不同狀態(tài)下密閉腔內(nèi)溫度場的分布

圖4 傳感器電路原理圖

2 實驗方法

從原理可看出,選擇1對合適的熱敏絲是關鍵.熱敏絲既要發(fā)熱好還要對溫度很敏感.實驗時以電阻率和溫度系數(shù)等物理參量作為選材參考,如:鎢絲具有很好的發(fā)熱性能,但實驗發(fā)現(xiàn)它對熱的敏感很差;鎳鉻材料熱敏感好而發(fā)熱效果不佳……由于可以實驗的材料有限,象鉑金絲這樣昂貴材料難于得到.在現(xiàn)有的材料中經(jīng)過多次實驗后發(fā)現(xiàn)用于楊氏模量測量的鋼絲既具有良好的發(fā)熱性能,又有熱敏功能,且價格低廉.

密閉腔開始選用的是玻璃管,由于玻璃管導熱不好,邊界積蓄的熱量使溫度緩慢上升,腔內(nèi)的溫度梯度變得很不穩(wěn)定,給測量帶來很多麻煩.后來改用金屬圓管做密閉腔,因為金屬導熱好,可以把腔內(nèi)的熱量傳出來,使得邊界條件接近穩(wěn)定.改進后的密閉腔是直徑為2.992 cm,壁厚為0.756 cm,長為15.950 cm 的黃銅管,1對直徑為0.20 mm的鋼絲相距為7.0 mm,平行設置在管內(nèi),銅管兩端用橡膠塞密封后接入惠斯通電橋中.

為了提高熱效率,電橋中取R?r,讓流經(jīng)熱敏絲的電流占流經(jīng)電橋總電流的95%以上.由于惠斯通電橋的4個臂電阻不能完全相同,在橋路的固定臂中間加了電位器Rw,當2根熱敏絲平置時,協(xié)助電橋調(diào)平衡,如圖5所示.

圖5 電路原理圖

即便如此,要得到電橋平衡時輸出為零還是很困難,電橋仍有小的Uo輸出.因此實際電橋輸出電壓與傳感器傾斜角度的關系為:Uo=Kθ+ΔU.要讀出傳感器的傾角還要有讀角度的裝置,將傳感器安置在此裝置上,轉(zhuǎn)動的角度由指針在角度盤上指出.

3 數(shù)據(jù)處理

選擇直徑為0.20 mm的鋼絲,在室溫t0=17.0℃下,用雙臂電橋測出2根熱敏絲的電阻R0=4.008Ω,鋼絲的溫度系數(shù)α=60×10-4℃-1,通電后鋼絲的阻值隨溫度發(fā)生變化為Rt,Rt與溫度的關系是Rt=R0(1+αt),加不同的電流I、電壓Ui,可得Rt=I/Ui,由此可求出鋼絲的溫度:

多次測量并計算相關數(shù)據(jù)見表1.

表1 測量數(shù)據(jù)

電流的大小既要滿足發(fā)熱需求,使傳感器有良好的靈敏度,又要盡量減少功耗,實驗中經(jīng)過多次測量比較最終取I=0.60 A.氣體擺內(nèi)熱絲的溫度隨電壓變化關系如圖6所示.

圖6 溫度隨電壓變化關系

電橋輸出電壓和傳感器的傾斜角度Uo-θ之間的關系,如表2所示.用表2數(shù)據(jù)作ΔU-θ圖見圖7.

表2 電橋輸出電壓與傳感器傾斜角的關系

圖7 電橋輸出電壓和傾角的關系圖

由圖7可以求出斜率K=5.2 m V/°,電橋平衡時有不為零的電壓,調(diào)零后ΔU=0,電橋輸出電壓與傳感器傾斜角度的關系為

4 結(jié)果分析

通過多次實驗及數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)氣體擺平衡姿態(tài)傳感器的優(yōu)點如下:

1)用氣體擺原理制成的平衡姿態(tài)傳感器由于氣體質(zhì)量小、慣性小,所以抗振性能好、反應快;用氣體作為介質(zhì)比固體和液體都容易快速適應姿態(tài)及環(huán)境的變化.

2)鋼絲完全可以勝任熱敏感和發(fā)熱2個功能,價格低廉,牢固,穩(wěn)定性好.

3)氣體擺平衡姿態(tài)傳感器用途廣,可以用于機器人運動時傾角的測控;可以用于海上平臺或艦船的動態(tài)測控系統(tǒng)等.

現(xiàn)在的傳感器制作比較粗糙,所用材料選擇余地有限,還存在以下不足:

1)流經(jīng)鋼絲的電流還過大,由于電流的大小與鋼絲的直徑有關,實驗室初次選擇0.60 mm的鋼絲,電流為3.0 A;現(xiàn)在選擇0.20 mm鋼絲,電流降到了0.60 A,如果能有直徑為0.1 mm或更小的鋼絲,電流有望繼續(xù)減小.此外,電流的大小還與密閉腔的外徑有關,如能減小外徑,增加內(nèi)部溫度梯度,那么電流也可減?。?/p>

2)目前傳感器的尺寸還大了些.

5 結(jié)束語

用氣體擺原理研制平衡姿態(tài)傳感器是學生在教師幫助與指導下第一次參加帶有科研性質(zhì)的制作,雖然實驗室條件有限,可選擇的材料少,但卻受到不少啟迪:如何把學到的知識用于實驗,用于研發(fā),不懂的問題如何解決,等等.現(xiàn)在手工制作的傳感器樣品還很粗糙,有待繼續(xù)改進.

[1] 張福學.密閉腔內(nèi)氣流的擺特性[J].中國工程科學,2002,4(8):51-53.

[2] 吳思誠.近代物理實驗[M].北京:高等教育出版社,2005.

[3] 樸林華,張偉,張福學.密閉腔中自然對流氣體擺特性的有限元分析[J].電子元件與材料,2003,22(12):16-18,21.

[4] 張瑞斌,秦穎,李敬安,等.用于指導交流電橋?qū)嶒炚{(diào)零的矢量數(shù)學模型[J].物理實驗,2010,30(6):42-45.

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